梯度结构无孔三支柱绝缘子回转浇注成形装置及工艺

摘要

本发明涉及超高压输电设备制造领域，提供了一种梯度结构无孔三支柱绝缘子回转浇注成形装置及工艺，该装置包括双组分定量供料系统、自加热模具、中心转轴、负压系统和控制系统；双组分定量供料系统向自加热模具输出填料浓度随时间变化的环氧树脂混合物；自加热模具能紧密贴合在中心转轴上，对环氧树脂混合物进行加热、固化及成形；负压系统使自加热模具形成负压；控制系统控制供料、形成负压及中心转轴的旋转。本发明可实现三支柱绝缘子介电常数沿支柱径向梯度变化，可自由设定三支柱绝缘子对电场的调控能力，实现控性控形一体化制造，避免沿面闪络；可避免浇注过程中气泡产生的孔隙，保证三支柱绝缘子的机械性能，且可批量浇注，实现规模化效益。

说明书

技术领域

本发明涉及超高压输电设备制造领域，特别涉及一种梯度结构无孔三支柱绝缘子回转浇注成形装置及工艺。

背景技术

气体绝缘金属封闭技术(GIL和GIS)是当前实现远距离超高压输电的最高可靠性技术，环氧浇注三支柱绝缘子作为该技术中金属导体的绝缘支撑部件，在超高压输电领域发挥重要作用。

目前，对于环氧树脂浇注三支柱绝缘子的研究主要集中在通过零件结构的优化，即“控形”的方法实现制备工艺的简化和使用功能的强化上。例如，CN102886851B公开了一种三支柱浇注模具，使得装脱模更加方便，提高模具的浇注效率和成型质量；再例如，CN207250241U公开了一种超/特高压GIL的哑铃型三支柱支撑绝缘子，减少了低压侧金属嵌件失效可能，提高零件服役安全性。

但是，单一的结构优化无法全面避免故障的发生，最为突出的就是匀质材料引发电场集中，造成绝缘子沿面闪络频发，进而发展为击穿破坏的问题，极大限制这类超高压输电设备的发展。针对这一现状，目前最具潜力的解决方案就是设计梯度结构的绝缘子，使绝缘子材料在空间上具有不同的介电常数，主动调控气固界面的电场分布，提升耐电强度。由于这种方法是从改变绝缘部分的材料入手，属于“控性”的技术，与前述方法可以叠加并用，可实现“控性控行一体化”制造，极大克服电场分布集中的问题。

最常见的制备梯度结构绝缘子的方法为叠层法和离心法。

叠层法，就是把不同介电常数的材料叠加堆积，组合成绝缘子部件，例如CN103247395A公开了一种用于高压输电的多层高梯度绝缘子及其制备方法，在绝缘材料本体中嵌入薄片导电层，避免电荷的累积和闪络放电；CN105679473A公开了一种介电功能梯度绝缘子的叠层制造方法，分层叠加制造介电参数梯度变化的绝缘子。

离心法，就是使填料沿离心力方向梯度分布从而调控绝缘子介电常数分布，例如CN105542399A公开了一种介电功能梯度绝缘子的制造方法，实现介电参数在绝缘子内部的连续梯度分布；CN111331767A公开了一种离心技术制造表面电导非线性绝缘子的方法，实现了极好的界面稳定性。叠层法的局限在于难以实现介电参数的连续分布，且界面结合存在缺陷；离心法虽然可以实现节点参数的连续分布，但是无法定量控制，工艺条件极为复杂，不具备大规模生产条件。CN11136856公开了一种双组分混合环氧浇注介电功能梯度绝缘制造装置及方法，利用双组分定量系统实现了连续、准确的介电参数调控。

然而，上述所有制备方法针对的都是普通支柱绝缘子，尚无关于GIL和GIS领域中大规模应用的三支柱绝缘子梯度制造的研究报道，一是由于相比普通支柱绝缘子，三支柱绝缘子结构更为复杂，实现梯度分布的难度更大，二是三支柱绝缘子的尺寸更大，产生缺陷的几率更大，对工艺要求更为精准。

可以说，大批量生产具备梯度结构的无缺陷三支柱绝缘子技术是推动超高压输电设备向前发展的关键一步。

发明内容

本发明的目的就是解决现有技术的不足，针对超高压输电用三支柱绝缘子无法实现梯度结构制造的问题，提供了一种梯度结构无孔三支柱绝缘子回转浇注成形装置及工艺，利用双组分定量供料系统向模具填充不同填料浓度的环氧树脂混合物，利用中心转轴的转动实现三支柱结构的回转浇注，从而得到介电常数值沿三支柱径向梯度分布的绝缘子，主动调控电场，避免闪络频发和电场击穿的事故。

本发明采用如下技术方案：

一种梯度结构无孔三支柱绝缘子回转浇注成形装置，所述装置包括双组分定量供料系统、若干个自加热模具、中心转轴、负压系统和控制系统；

所述双组分定量供料系统，用于向所述自加热模具输出填料浓度随时间变化的有机绝缘材料混合物，实现介电常数沿三支柱绝缘子径向梯度分布；所述双组分为有机绝缘材料混合物和填料；

所述自加热模具，在密封件的配合下能紧密贴合在所述中心转轴上，用于对有机绝缘材料混合物进行加热、固化及成形；实现有机绝缘材料混合物的均匀、快速固化；

所述负压系统，用于对所述自加热模具的腔体内抽气形成负压；通过负压系统，将所述自加热模具紧密吸附在所述中心转轴上，同时避免有机绝缘材料混合物在浇注过程中产生气泡并发展为孔隙；

所述控制系统，用于控制所述双组分定量供料系统的供料、所述负压系统对所述自加热模具的抽气形成负压及所述中心转轴的旋转。

进一步的，所述自加热模具包括成形腔、加热单元和密封盖和橡胶密封圈；

所述成形腔的上端部设置所述密封盖；所述成形腔的下端部为开放部，所述开放部能与所述中心转轴紧密贴合，所述橡胶密封圈用于所述成形腔与所述中心转轴结合处的密封；

所述加热单元为电阻丝，设置在所述成型腔体四周。

进一步的，所述双组分定量供料系统设置有浇注管，所述浇注管穿过所述密封盖进入所述成形腔内部；所述浇注管能在所述成形腔内上下移动，所述浇注管的供料口始终位于有机绝缘材料混合物液面的上方。

进一步的，所述中心转轴包括不锈钢轴、电阻丝加热层及旋转单元；所述电阻丝加热层设置在所述不锈钢轴内部，所述旋转单元用于驱动所述中心转轴旋转。

进一步的，所述双组分定量供料系统与所述自加热模具的连接部分、所述自加热模具的密封盖与成形腔的连接部分、所述自加热模具和所述负压系统的连接部分，均进行密封处理；所述密封处理包括使用橡胶圈、垫片及松紧螺栓。

本发明还提供了一种梯度结构无孔三支柱绝缘子回转浇注成形工艺，利用上述的装置，所述工艺包括：

S1、选定填料的种类，将填料和有机绝缘材料混合物分别装入双组分定量供料系统的2个料缸中；

S2、设定填料的比例变化曲线、加热温度及固化时间；

S3、将若干个自加热模具紧密扣在中心转轴上，连接到负压系统；开启负压系统，排除自加热模具内气体，直到自加热模具内压力小于设定值；

S4、将双组分定量供料系统的浇注管伸入自加热模具的成形腔内，出料口下降到成形腔底部，启动双组分定量供料系统；随着浇注液面的升高，出料口同步提升，保证顶部液面平稳，直到有机绝缘材料混合物填充满整个自加热模具腔体；关闭双组分定量供料系统和负压系统，启动自加热模具的加热单元和/或中心转轴的电阻丝加热层，进行加热及固化；

S5、固化完成后，打开自加热模具的密封盖，脱模，得到单根支柱；中心转轴转动120°，进行下一个支柱的浇注和固化；重复S3、S4两次，即完成3根支柱的固化。

进一步的，在步骤S3之前，用IPA将模具内部擦拭干净，用无尘布或喷枪将环氧树脂脱模剂均匀地涂抹或喷涂在模具成形腔。

进一步的，步骤S1中，有机绝缘材料混合物为环氧树脂。

进一步的，步骤S1中，环氧树脂为双酚A型环氧树脂，填料为氧化铝颗粒或钛酸钡颗粒。

进一步的，步骤S2中，通过选定填料种类及比例变化曲线，控制支柱径向上介电常数的递减或递增；通过选定填料的添加浓度，控制支柱径向上介电常数的变化幅度大小；加热温度设定为120-150℃，固化时间保持10-12小时。

进一步的，步骤S4中，自加热模具内压力小于0.01Pa。

进一步的，步骤S4中，自加热模具的数量为8个及以上，同时紧密扣在中心转轴上。

进一步的，控制系统控制所述双组分定量供料系统的供料、所述负压系统对所述自加热模具的抽气形成负压及所述中心转轴的旋转。

本发明的有益效果为：本发明提出的梯度结构无孔三支柱绝缘子回转浇注成形工艺，通过回转浇注设计，可以实现三支柱绝缘子介电常数沿支柱径向梯度变化(递增/递减/离散)，根据使用需求自由设定三支柱绝缘子对电场的调控能力，实现“控性控形一体化制造”，避免沿面闪络；同时，本发明提出的制造工艺，可以避免浇注过程中气泡产生的孔隙，保证三支柱绝缘子的机械性能，并且可以批量浇注，实现规模化效益。

附图说明

图1所示为本发明实施例一种梯度结构无孔三支柱绝缘子回转浇注成形装置的结构示意图。

图2所示为浇注过程及脱模后单支绝缘子示意图；(a)为浇注开始时，(b)为浇注完成前，(c)为脱模后。

图3所示为组装完成后的梯度结构无孔三支柱绝缘子示意图。

图4所示为实施例中多个自加热模具与中心转轴配合示意图。

其中：1-双组分定量供料系统；11-料缸；12-浇注管；2-自加热模具；21-橡胶垫圈；22-压力表；23-浇注开关；24-橡胶密封圈；3-中心转轴。

具体实施方式

下文将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。

如图1所示，本发明实施例一种梯度结构无孔三支柱绝缘子回转浇注成形装置，包括双组分定量供料系统1、若干个自加热模具2、中心转轴3、负压系统和控制系统；所述双组分定量供料系统1，用于向所述自加热模具2输出填料浓度随时间变化的环氧树脂混合物，实现介电常数沿三支柱绝缘子径向梯度分布；所述双组分为环氧树脂和填料；所述自加热模具2，能紧密贴合在所述中心转轴3上，用于对环氧树脂混合物(也可选用其他有机绝缘材料，如塑料树脂复合材料等)进行加热、固化及成形；所述负压系统，用于对所述自加热模具2的腔体内抽气形成负压；所述控制系统，用于控制所述双组分定量供料系统1的供料、所述负压系统对所述自加热模具2的抽气形成负压及所述中心转轴3的旋转。

优选的，中心转轴3上可同时吸附八个以上的自加热模具2，完成梯度结构无孔三支柱绝缘子的批量制造。

做为一个优选实施例，自加热模具2包括加热单元、成形腔和密封盖。自加热模具2可采用电阻丝加热；自加热模具2下端为开放部，开放部边缘与中心转轴3相切，在密封件的配合下，可与中心转轴3紧密贴合。浇注前，在模具2内壁涂上脱模剂；负压系统通过出气孔将自加热模具内部抽成负压状态，使得自加热模具2紧密吸附在中心转轴3上。浇注时，双组分定量供料系统1通过浇注管25将环氧树脂混合物填充在成形腔内。浇注完成后，加热单元启动，环氧树脂混合物固化成形。密封盖封闭时，自加热模具2保持负压状态，完成浇注；密封盖卸载时，通过脱模设备，将自加热模具2从固化物上分剥下来。

做为另一个优选实施例，中心转轴3包括不锈钢轴、电阻丝加热层、旋转单元。浇注时，自加热模具2吸附在中心转轴3上，电阻丝加热层配合自加热模具2共同控制固化温度。当单个支柱固化后，旋转单元带动中线转轴3旋转120度，进行下一支柱的浇注和固化。通过两次120度的旋转，完成三支柱构造的浇注工艺。

优选的，双组分定量供料系统1可以定量输出填料浓度随时间变化的环氧树脂混合物，填料是指氧化铝颗粒、钛酸钡颗粒等不同介电常数材料，环氧树脂是指双酚A型环氧树脂；双组分供料系统1的出料速度、混料比例可根据需求自由调整。

优选的，自加热模具2密封盖和成形腔体连接部分、自加热模具2和双组分供料系统1连接部分、自加热模具2和负压系统连接部分、自加热模具2成形腔和中心转轴3连接部分均采取密封处理，具体可包括橡胶密封圈24、橡胶垫圈21、垫片、松紧螺栓等。

优选的，为保证自加热模具2紧密吸附在中心转轴3之上，自加热模具2下端边缘曲线与中心转轴3严格相切。

优选的，为避免气泡的产生，负压系统全程控制模具2腔内压强低于0.01Pa，利用压力表22进行气压的监测。

优选的，为保证环氧树脂混合物完全固化，自加热模具2和中心转轴3的温度保持120-150℃，固化时间保持10-12小时。

优选的，通过选择不同介电常数的填料，实现支柱径向上介电常数的递减或递增；通过选择填料不同的添加浓度，控制支柱介电常数变化的幅度大小。

优选的，通过选择合适的环氧树脂专用脱模剂，保证零件的顺利脱模。

特别的，在真空(负压)状态下，浆料受负压作用缓慢注入成形腔内部，供料口始终保持液面一定距离，随液面上升而上升，防止冲击扰动，保证液面平稳。

本发明实施例一种梯度结构无孔三支柱绝缘子回转浇注成形工艺，包括：

S1、选定填料的种类，将填料和环氧树脂分别装入双组分定量供料系统的2个料缸11中；

S2、设定填料的比例变化曲线、加热温度150度，及固化时间10小时；

S3、将若干个自加热模具2紧密扣在中心转轴3上，连接到负压系统；开启负压系统，排除自加热模具2内气体，直到自加热模具2内压力小于0.01Pa；

S4、将双组分定量供料系统1的浇注12伸入自加热模具2的成形腔内，出料口下降到成形腔底部，启动双组分定量供料系统1；随着浇注液面的升高，出料口同步提升，保证顶部液面平稳，直到环氧树脂混合物填充满整个自加热模具2腔体；关闭双组分定量供料系统1和负压系统，启动自加热模具2的加热单元和/或中心转轴3的电阻丝加热层，进行加热及固化；

S5、固化完成后，打开自加热模具2的密封盖，脱模，得到单根支柱；中心转轴转动120°，进行下一个支柱的浇注和固化；重复S3、S4两次，即完成3根支柱的固化。

优选的，在步骤S3之前，用IPA将模具2内部擦拭干净，用无尘布或喷枪将环氧树脂脱模剂均匀地涂抹或喷涂在模具2成形腔。

实施例1

控制系统设定加热温度为150℃，固化时间为10h。

向双组分定量供料系统1加入树脂和填料。树脂选择双酚A环氧树脂E44(介电常数ε＝4)，填料选择为氧化铝颗粒(介电常数ε＝9)，设定填料输出浓度随时间递减。

将8个自加热模具2的内壁用IPA擦拭干净后，涂上一层EP-51808环氧脱模剂。

将8个自加热模具2扣压在中心转轴3上，启动负压系统，排出模具2内空气，直到气压表示数小于0.01Pa。

将出料口下降到最低位置，启动双组分定量供料系统1和加热单元，直到环氧树脂混合物填满整个模具2，停止供料。

固化10小时，用脱模设备取下模具2，完成单根支柱的浇注固化。通过控制系统，将中心转轴3旋转120度，重复浇注固化步骤，完成另外两根支柱。

得到介电常数从圆心沿径向递减的三支柱绝缘子，且介电常数变化趋势平稳。

实施例2

向双组分定量供料系统1加入树脂和填料。树脂选择双酚A环氧树脂E44(介电常数ε＝4)，填料选择为钛酸钡颗粒(介电常数ε＝1400)，设定填料输出浓度随时间递增加。

将8个自加热模具2的内壁用IPA擦拭干净后，用喷枪在内壁喷涂一层兴黛斯PVA环氧脱模剂，喷枪的气压设置为100Psi。

将8个自加热模具2扣压在中心转轴上，启动负压系统，排出自加热模具内空气，直到气压表示数小于0.01Pa。

将出料口下降到最低位置，启动双组分定量供料系统1和加热单元，直到环氧树脂混合物填满整个模具2，停止供料。

固化10小时，用脱模设备取下自加热模具2，完成单根支柱的浇注固化。通过控制系统，将中心转轴旋转120度，重复浇注固化步骤，完成另外两根支柱。

得到介电常数从圆心沿径向递增的三支柱绝缘子，且介电常数变化趋势剧烈。

本发明利用双组分定量供料系统1向模具2填充不同填料浓度的环氧树脂混合物，利用中心转轴3的转动实现三支柱结构的回转浇注，从而得到介电常数值沿三支柱径向梯度分布的绝缘子，主动调控电场，避免闪络频发和电场击穿的事故。

需要说明的是，上述实施例中选用的环氧树脂并不是唯一的，可以其他有机绝缘材料替代。

本文虽然已经给出了本发明的几个实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。